JP2021060383A - センサ装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 バイオセンシングの集光効率を向上させる光学センサ装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】 少なくとも１つのセンサ素子、前記少なくとも１つのセンサ素子上に配置された中間層、前記中間層上に配置されたパッシベーション層、前記パッシベーション層上に配置されたマイクロレンズ構造、前記マイクロレンズ構造に配置された開口部、および前記マイクロレンズ構造上に配置された第１の反射層を含む、少なくとも１つのセンサユニットを含み、第１の反射層は、開口部からパッシベーション層まで延在するセンサ装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、センサ装置およびその製造方法に関するものであり、特に、バイオセンシングの集光効率を向上させる光学センサ装置に関するものである。
相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサは、デジタルカメラ、医療用画像機器、分光計、レーダーデバイスなどを含む電子デバイスで広く使用されてきた。通常、ＣＭＯＳ画像センサは集積回路とフォトダイオードを含むため、光を取り込んで電気信号に変換することができる。
近年、ＣＭＯＳ画像センサも生物学的または化学的分析に用いられている。このような分析では、生物学的または生化学的サンプルはフォトダイオード上に配置されることができ、生物学的または生化学的サンプルで放射された光はフォトダイオードによって方向付けられることができる。サンプルの蛍光または化学発光は、フォトダイオードによって検出でき、蛍光または化学発光のスペクトル分布および強度が決定されることができる。スペクトルおよび強度は、生物学的または生化学的サンプルの相互作用または特性を識別するために用いられることができる。
既存のＣＭＯＳ画像センサは、意図された目的には十分であるが、それらは全ての点において完全に満足できるものではない。例えば、フォトダイオードから反対方向に放射された光は検出されない可能性があるため、フォトダイオードに対する生物学的反応の放射光の集光効率は低い（例えば、５０％以下）。従って、ＣＭＯＳ画像センサには依然として解決すべき問題が残っている。
バイオセンシングの集光効率を向上させる光学センサ装置およびその製造方法を提供する。
本開示のいくつかの実施形態によれば、センサ装置が提供される。センサ装置は、少なくとも１つのセンサユニットを含む。センサユニットは、少なくとも１つのセンサ素子、中間層、パッシベーション層、マイクロレンズ構造、開口部、および第１の反射層を含む。中間層はセンサ素子上に配置される。パッシベーション層は中間層上に配置される。マイクロレンズ構造は、パッシベーション層上に配置される。開口部は、マイクロレンズ構造に配置される。第１の反射層は、マイクロレンズ構造上に配置される。また、第１の反射層は、開口部からパッシベーション層まで延在する。
本開示のいくつかの実施形態によれば、センサ装置を製造する方法が提供される。この方法は以下のステップ、少なくとも１つのセンサ素子を含む基板を提供するステップ、センサ素子上に中間層を形成するステップ、中間層上にパッシベーション層を形成するステップ、パッシベーション層上にマイクロレンズ構造を形成するステップ、マイクロレンズ構造上に第１の反射層をコンフォーマルに形成するステップ、および第１の反射層の一部およびマイクロレンズ構造の一部を除去し、マイクロレンズ構造に開口部を形成するステップを含む。また、マイクロレンズ構造に開口部が形成された後、第１の反射層は開口部からパッシベーション層まで延在する。
詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態に説明される。
本発明は、集光効率を高めることができる。
図１は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の断面図である。 図２は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の断面図である。 図３Ａは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の上面図である。 図３Ｂは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の上面図である。 図３Ｃは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の上面図である。 図４は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の断面図である。 図５は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の断面図である。 図６Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの断面図である。 図６Ｂは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの断面図である。 図７は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の断面図である。 図８Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの断面図である。 図８Ｂは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの断面図である。 図８Ｃは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの断面図である。 図９は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の断面図である。 図１０は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の断面図である。 図１１は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置の断面図である。 図１２Ａは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｂは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｃは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｄは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｅは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｆは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｇは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｈは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｉは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１２Ｊは、 本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニットの上面図である。 図１３Ａは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１３Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１３Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１３Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１３Ｅは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１３Ｆは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１３Ｇは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１３Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１４Ａは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１４Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１４Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１４Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１４Ｅは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１４Ｆは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１４Ｇは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１４Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１５Ａは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１５Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１５Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１５Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１５Ｅは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１５Ｆは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１５Ｇは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１５Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１６Ａは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１６Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１６Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１６Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１６Ｅは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１６Ｆは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１６Ｇは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。 図１６Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による製造プロセスの様々な段階におけるセンサ装置の断面図である。
本開示のセンサ装置およびセンサ装置の製造方法は、以下の説明において詳細に説明される。以下の詳細な説明では、説明のために、多数の特定の詳細および実施形態が本開示の完全な理解を提供するために明記されている。以下の発明を実施するための形態で説明された特定の構成要素および構造は、本開示を明瞭に説明するために記述されている。しかしながら、本明細書で記述される例示的な実施形態は、単に説明のために用いられることは明らかであり、発明の概念は、これらの例示的な実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
また、この明細書では、例えば、「第２の材料層上／第２の材料層の上方に配置された」などの表現は、第１の材料層および第２の材料層の直接接触の状況を含む。または１つ以上の他の材料層との離間状態も含むことができる。上述の状況では、第１の材料層と第２の材料層との間は直接接触しなくてもよい。例示的な実施形態の説明では、本発明の実施形態の一部として見なされる添付図面と合わせて検討すれば、より理解されるであろう。図面は、縮尺通りに描かれているものではない。また、構造および装置は、図を簡素化するために概略的に示されている。
本開示の図面の構成要素または装置は、当業者に公知のどんな形式または構成にも存在することができるということが留意されるべきである。また、「もう１つの層を覆う（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）層」、「層はもう１つの層の上方（ａｂｏｖｅ）に配置される」、「層はもう１つの層上（ｏｎ）に配置される」、および「層はもう１つの層の上方（ｏｖｅｒ）に配置される」などの表現は、層がもう１つの層と直接接触していることを示しているか、または層がもう１つの層と直接接触しておらず、層ともう１つの層との間に配置された１つ以上の中間層があることを指すことができる。
また、この明細書では、関連する表現が用いられる。例えば、「より低い」、「底部」、「より高い」、または「上部」は、もう１つに対する１つの構成要素の位置を説明するのに用いられる。仮に装置が上下反転された場合、「より低い」側の構成要素は、「より高い」側の構成要素となる、ということが了解されるべきである。
第１、第２、第３などの用語は、ここでは各種の素子、構成要素、領域、層、および／または部分を説明するのに用いられることができ、これらの素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、これらの用語によって制限されてはならない。これらの用語は単に一素子、構成要素、領域、層、および／または部分を識別するのに用いられることは理解される。従って、第１の素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、例示的な実施形態の技術から逸脱しない限りにおいては、第２の素子、構成要素、領域、層、および／または部分と呼ばれてもよい。
用語「約」および「大抵」は、一般的に、所定値の＋／−１０％を意味し、より一般的に、所定値の＋／−５％を意味し、より一般的に、所定値の＋／−３％を意味し、より一般的に、所定値の＋／−２％を意味し、より一般的に、所定値の＋／−１％を意味し、より一般的に、所定値の＋／−０．５％を意味する。本開示の所定値は、近似値である。特定の説明がないとき、所定値は、「約」または「大抵」の意味を含む。
特に定義されなければ、本明細書で使用される全ての技術的および科学的用語は、この発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有している。さらに理解されることであろうが、一般に使用される辞書で定義されているような用語は、関連した技術分野の文脈におけるその意味と一致した意味を持つものとして解釈されるべきであり、本明細書で明確にそのように定義されない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されない。
本開示のいくつかの実施形態によれば、センサ装置は、マイクロレンズ構造の上に配置された反射層を含んでもよい。反射層は、フォトダイオードから反対方向に放射された光を反射することができるため、フォトダイオードの放射光の集光効率を高めることができる。フォトダイオードと反対方向の上述の放射光は、複数の反射光、例えば、第２の反射層によって先ず反射され、次いで、第１の反射層で反射されて、最後にフォトダイオードに向かう放射光を含むことができる。従って、センサ装置の感度および性能が改善され得る。
図１は、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置１０Ａの断面図である。図１では、回路層などのセンサ装置１０Ａの構成要素のいくつかは、明確にするために、省略されてもよい。また、本開示のいくつかの実施形態によれば、センサ装置１０Ａに追加の特徴が追加されることができる。
本開示の実施形態によれば、センサ装置１０Ａは、特定の用途に限定されない。いくつかの実施形態によれば、センサ装置１０Ａは、生物学的分析または生化学的分析に用いられることができる。例えば、センサ装置１０Ａは、サンプルＳＡによって放射された蛍光または化学発光を測定または分析するように用いてもよい。いくつかの実施形態では、サンプルＳＡは、生体分子、化学分子、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、核酸は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、サンプルＳＡが分析され、遺伝子配列、ＤＮＡ−ＤＮＡハイブリダイゼーション、一塩基多型、タンパク質相互作用、ペプチド相互作用、抗原抗体相互作用、グルコースモニタリング、コレステロールモニタリングなどを決定することができる。
図１に示すように、センサ装置１０Ａは、少なくとも１つのセンサユニット１００Ｕを含むことができる。いくつかの実施形態では、センサ装置１０Ａは、複数のセンサユニット１００Ｕを含むことができ、センサユニット１００Ｕは、互いに隣接して配置されることができる。いくつかの実施形態では、センサユニット１００Ｕは、センサアレイを形成するように配置されることができる。
いくつかの実施形態によれば、センサユニット１００Ｕは、少なくとも１つのセンサ素子１０２を含むことができる。いくつかの実施形態では、センサ素子１０２は、複数のセンサ素子を含むことができる。いくつかの実施形態では、センサ素子１０２は、長方形アレイまたは六角形アレイに配置されることができるが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、センサ素子１０２は、フォトダイオード、または測定された光を電流に変換することができる他の光感知構成要素であってもよい。具体的には、いくつかの実施形態によれば、センサ素子１０２は、他のＭＯＳトランジスタなどの他の構成要素に電流を転送することができる、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタ（図示せず）のソースおよびドレインを含むことができる。他の構成要素は、電流をデジタル信号に変換するためのリセットトランジスタ、電流源フォロワ、または行セレクターを含み得るが、これらに限定されない。
さらに、センサ素子１０２は、いくつかの実施形態に従って基板（図示せず）に設けられてもよい。いくつかの実施形態では、基板は、その中に配置された回路層（図示せず）をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、センサ素子１０２（例えば、フォトダイオード）は、デジタル信号を外部接続に転送するように回路層に電気的に接続されることができる。いくつかの実施形態では、基板の材料は、シリコン、シリコン上ＩＩＩ−Ｖ族、グラフェンオンシリコン、シリコンオンインシュレータ、またはそれらの組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。また、回路層は、任意の適切な導電性材料で形成されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、センサ素子１０２は、前面照明（ＦＳＩ）相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）、背面照明（ＢＳＩ）相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）、またはそれらの組み合わせを含むことができる。具体的には、センサ素子１０２がＦＳＩ ＣＭＯＳである実施形態では、回路層はセンサ素子１０２の上に配置されることができる。センサ素子１０２がＢＳＩ ＣＭＯＳである実施形態では、回路層はセンサ素子１０２の下に配置されることができる。
いくつかの実施形態によれば、センサ素子１０２のサイズは、約０．１μｍから約１００μｍ、または約０．５μｍから約２０μｍの範囲であることができる。より具体的には、いくつかの実施形態では、断面図におけるセンサ素子１０２の幅Ｗ１は、断面図において約０．１μｍから約１００μｍ、または約０．５μｍから約２０μｍの範囲であることができる。
図１に示すように、センサユニット１００Ｕは、いくつかの実施形態に従って、センサ素子１０２上に配置された中間層１０４を含むことができる。いくつかの実施形態では、中間層１０４は、フィルタ、パッシベーション材料、またはそれらの組み合わせを含むことができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、中間層１０４は、１つ以上の均一（連続）フィルタ、画素化フィルタ（ｐｉｘｅｌａｔｅｄ ｆｉｌｔｅｒ）、阻止フィルタ、またはそれらの組み合わせを含むことができる。画素化フィルタは、異なるセンサ素子１０２に対応して配置された分離されたカラーフィルタを指すことができる。いくつかの実施形態では、各センサ素子１０２は画素を指すことがあるが、それに限定されない。いくつかの実施形態では、１つ以上の画素は、センサ素子１０２に対応することができる。
いくつかの実施形態では、均一（連続）フィルタ、画素化フィルタ、または阻止フィルタは、単層フィルタ、または多層フィルタであることができる。いくつかの実施形態では、フィルタは、吸収フィルタ、干渉フィルタ、プラズモニックメタ表面構造、誘電体メタ表面構造、またはそれらの組み合わせをさらに含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、画素化フィルタは、吸収フィルタ／吸収フィルタ、多層フィルタ／多層フィルタ、多層フィルタ／吸収フィルタ、プラズモニックメタ表面構造／誘電性メタ表面構造、またはその他の適切な組み合わせの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、画素化フィルタは、阻止フィルタと組み合わせて用いられることができる。阻止フィルムは、特定の波長範囲の光を通過させないようにすることができる。
また、均一フィルタまたは画素化フィルタは、特定の波長範囲の光を通過させることができる。いくつかの実施形態では、上述のフィルタの材料は、顔料ベースのポリマー、顔料ベースの染料、染料ベースのポリマー、樹脂または他の有機ベースの材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、フィルタは、必要に応じて、赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ、青色カラーフィルタ、シアンカラーフィルタ、マゼンタカラーフィルタ、黄色カラーフィルタ、または赤外線（ＩＲ）パスフィルタで構成されることができるが、本開示はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、異なるセンサ素子１０２に対応する画素化フィルタは、単色または異なる色のフィルタであることができる。
上述のように、いくつかの実施形態によれば、中間層１０４はパッシベーション材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、パッシベーション材料は、金属酸化物、金属窒化物、酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、金属酸化物、金属窒化物、酸化ケイ素、または窒化ケイ素は、酸化ケイ素（例えばＳｉＯ２）、酸化チタン（例えばＴｉＯ２）、酸化タンタル（例えばＴａ２Ｏ５）、酸化アルミニウム（例えばＡｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（例えばＮｂ２Ｏ５）、窒化ケイ素（例えばＳｉ３Ｎ４）、窒化チタン 、窒化タンタル、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば、パッシベーション材料は透明または半透明であることができる。
図１に示すように、センサユニット１００Ｕは、中間層１０４上に配置されたパッシベーション層１０６を含むことができる。中間層１０４は、センサ素子１０２とパッシベーション層１０６との間に配置されることができる。パッシベーション層１０６は、層間剥離、腐食、または損傷から中間層１０４およびセンサ素子１０２を保護することができる。具体的には、パッシベーション層１０６は、サンプルＳＡの溶液が中間層１０４またはセンサ素子１０２に接触するのを防ぐことができる。また、パッシベーション層１０６は、試料ＳＡの固定化のために、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、機能性ポリマー、またはヒドロゲルでコーティングまたは処理されることができる。
いくつかの実施形態では、パッシベーション層１０６の材料は、金属酸化物、金属窒化物、酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、金属酸化物、または金属窒化物、酸化ケイ素、または窒化ケイ素は、酸化ケイ素（例えばＳｉＯ２）、酸化チタン（例えばＴｉＯ２）、酸化タンタル（例えばＴａ２Ｏ５）、酸化アルミニウム（例えばＡｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（例えばＮｂ２Ｏ５）、窒化ケイ素（例えばＳｉ３Ｎ４）、窒化チタン 、窒化タンタル、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば、パッシベーション層１０６は透明または半透明であることができる。
また、図１に示すように、センサユニット１００Ｕは、パッシベーション層１０６上に配置されたマイクロレンズ構造１０８を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、マイクロレンズ構造１０８は、パッシベーション層１０６と接触していることができる。具体的には、マイクロレンズ構造１０８の底面１０８ｂｓは、パッシベーション層１０６と接触している。マイクロレンズ構造１０８は、センサ素子１０２の上に配置され、光をセンサ素子１０２に導くことができる。また、いくつかの実施形態では、パッシベーション層１０６と接触しているマイクロレンズ構造１０８の底面１０８ｂｓは、円形、楕円形、三角形、長方形、または六角形、またはそれらの組み合わせの形状（開口部（ｏｐｅｎｉｎｇ）１０８ｐを無視した）を有することができる。
いくつかの実施形態によれば、断面図では、マイクロレンズ構造１０８は、半円形、半楕円、三角形、長方形の形状（開口部１０８ｐを無視した）、またはセンサ素子１０２に向かって光を反射させることができる他の形状を有することができる。すなわち、図１において、ＸＺ平面（マイクロレンズ構造１０８の底面１０８ｂｓに対して垂直な面）でマイクロレンズ構造１０８を切った場合の、マイクロレンズ構造１０８の断面が、半楕円、三角形、長方形の形状（開口部１０８ｐを無視した）、またはセンサ素子１０２に向かって光を反射させることができる他の形状になっている。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ構造１０８は、１つのセンサ素子１０２に対応する平行光を受光できる構造、又は、１つのセンサ素子１０２に対応する単一の焦点（例えば、図１に示されるように）、２つのセンサ素子１０２に対応する２つの焦点（例えば、図２に示されるように）、あるいは３つまたは４つのセンサ素子に対応する複数の焦点１０２を有する構造とすることができる。
いくつかの実施形態では、マイクロレンズ構造１０８の材料は、酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ２）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、別の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、サンプルＳＡのほとんどが水溶液中で反応し、水の屈折率が１．３３であるため、マイクロレンズ構造１０８の材料の屈折率は１．３３（n = １．３３）と同一または類似することができる。いくつかの実施形態によれば、マイクロレンズ構造１０８は透明または半透明であることができる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ構造１０８の材料は、フォトレジストを含むことができ、機能性表面コーティング（例えば、自己組織化単分子層（ＳＡＭ））の犠牲層として機能することができ、且つ機能性表面コーティングは開口部１０８ｐの底部にのみ配置されることができる。そのような構成では、犠牲層は、機能性表面コーティングの後、生物学的検出プロセスの前にさらに除去されてもよい。従って、光Ｌおよび反射光ＲＬの経路が維持されることができ、反応空間がより大きくなることができる。また、第１の反射層１１０内の材料は均質（例えば、すべての水溶液または空気）であることができる。
また、図１に示されるように、センサユニット１００Ｕは、マイクロレンズ構造１０８に配置された開口部１０８ｐを含むことができる。いくつかの実施形態では、開口部１０８ｐは、マイクロレンズ構造１０８の上部１０８ｔからマイクロレンズ構造１０８の底部１０８ｂまで延在し、パッシベーション層１０６の一部を露出させることができる。
いくつかの実施形態では、各センサユニット１００Ｕの開口部１０８ｐは、均一な寸法を有することができ、規則的なアレイ状に配置されることができる。アレイ状の開口部１０８ｐは、多くの場合列および行の直線パターンに構成されることができるが、いくつかの実施形態によれば、他の規則的なパターンが用いられることができる。また、いくつかの実施形態によれば、上面透視図において、開口部１０８ｐは、円形、楕円形、長方形、六角形、または任意の他の適切な形状の形状を有してもよい。
いくつかの実施形態では、開口部１０８ｐは反応領域ＲＲを含むことができ、反応領域ＲＲは開口部１０８ｐの底部に位置されることができる。いくつかの実施形態では、反応領域ＲＲは、少なくとも１つのセンサ素子１０２に対応してもよい。例えば、いくつかの実施形態によれば、反応領域ＲＲは、１つ、２つ、３つ、または４つのセンサ素子１０２に対応することができる。図１に示されるように、各反応領域ＲＲは、１つのセンサ素子１０２に対応することができる。また、サンプルＳＡは、反応領域ＲＲに配置されることができる。 開口部１０８ｐの反応領域ＲＲは、サンプルＳＡを含むことができる。
上述のように、サンプルＳＡは、いくつかの実施形態に従って生体分子を含むことができる。いくつかの実施形態では、生体分子は、蛍光色素、化学発光色素、または生物発光色素と結合されることができる。蛍光色素は、励起光源（図示せず）からの励起光によって照射されることができる。励起光は、任意の適切なタイプまたは光の強度に対応することができる。例えば、励起光は、可視光、赤外線（ＩＲ）、または紫外線（ＵＶ）を含むことができるが、これらに限定されない。
蛍光色素が特定の波長の励起光で照射されたとき、生体分子は光を吸収し、次いで、異なる波長の光を放射することができる。例えば、いくつかの実施形態によれば、生体分子は、第１の波長を有する励起光を吸収することができるが、第２の波長の光を放射し、第１の波長は第２の波長よりも小さい。中間層１０４が干渉フィルタなどのフィルタを含むいくつかの実施形態では、第１の波長を有する励起光はフィルタで除去され、第２の波長を有する放射光はフィルタを通過し、センサ素子１０２の測定精度を向上させることができる。
一方、生物発光または化学発光が用いられる実施形態では、センサ素子１０２が放射光を検出するための励起光源は必要ない。代わりに、生体分子は、生体分子と生物発光色素または化学発光色素との間で発生する可能性のある化学反応または酵素反応により、光を放射する可能性があり、化学結合の破壊または形成により、光が放射される。
また、図１に示すように、センサユニット１００Ｕは、マイクロレンズ構造１０８上に配置された第１の反射層１１０を含むことができる。第１の反射層１１０は、開口部１０８ｐからパッシベーション層１０６まで延在することができる。いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８の上部１０８ｔからマイクロレンズ構造１０８の底部１０８ｂまで延在することができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、第１の反射層１１０は、開口部１０８ｐの側壁１０８ｓからパッシベーション層１０６の上面１０６ｔまで延在することができる。また、いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８上にコンフォーマルに形成されることができ、従って、湾曲した形状またはその他の適切な形状を有することができる。マイクロレンズ構造１０８の形状およびプロファイルは、以下詳細に説明される。
いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０の材料は、励起光に対しては高透過、および放射光に対しては高反射のスペクトル選択特性を有することができる。具体的には、いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銀合金、アルミニウム合金、金合金、銅合金、ニオブ合金、ニッケル合金、チタン合金、タングステン合金、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
特に、第１の反射層１１０は、センサ素子１０２から反対方向に放射された光Ｌ（例えば、図１に示されるＺ方向に放射される光）をセンサ要素１０２に戻すように反射させることができる。具体的には、第１の反射層１１０によって反射された反射光ＲＬは、センサ素子１０２に向かって導かれ、従って、センサ素子１０２の放射光の集光効率を高めることができる。従って、センサ装置１０Ａの感度および性能が改善されることができる。
また、図１に示されるように、センサユニット１００Ｕは、いくつかの実施形態に従って、第１の反射層１１０上に配置された平坦化層１１２をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、平坦化層１１２は、第１の反射層１１０の上面を覆い、マイクロレンズ構造１０８上に平坦な上面１１２ｔを形成し、平坦化層１１２は開口部１０８ｐに配置されない。
いくつかの実施形態では、平坦化層１１２の材料は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、ポリマー、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。例えば、ポリマーは、ビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、他の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば、平坦化層１１２は透明または半透明であることができる。
また、いくつかの実施形態によれば、センサ装置１０Ａは、フローセル（図示せず）に結合されることができる。フローセルは、サンプルＳＡをセンサユニット１００Ｕの反応領域ＲＲに提供することができる。いくつかの実施形態では、フローセルは、開口部１０８ｐ内の反応領域ＲＲと流体連通している１つ以上のフローチャネルを含むことができる。
いくつかの他の実施形態によれば、センサ装置１０Ａは、バイオアッセイシステムにさらに結合されることができる。バイオアッセイシステムは、所定のプロトコルに従って試薬をセンサユニット１００Ｕの反応領域ＲＲに送り、画像化イベント（ｉｍａｇｉｎｇ ｅｖｅｎｔｓ）を行うことができる。いくつかの実施形態では、バイオアッセイシステムは、溶液を反応領域ＲＲに沿って流れるように導くことができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、溶液は、同じまたは異なる蛍光標識を有する４つのタイプのヌクレオチドを含むことができる。バイオアッセイシステムは、所定の波長範囲を有する励起光源を用いて反応領域ＲＲを照射することができる。励起された蛍光標識は、センサ素子１０２によって検出されることができる放射信号を提供することができる。
次に、図２は、本開示のいくつかの他の実施形態によるセンサ装置１０Ｂの断面図である。上記および下記説明の文脈における同一または類似の構成要素または素子は、同一または類似の参照番号で表される。これらの構成要素または素子の材料、製造方法、および機能は、上記のものと同一または類似しているため、ここでは繰り返さない。
図２に示される実施形態のセンサ装置１０Ｂは、図１に示される実施形態のセンサ装置１０Ａと同様である。それらの違いは、センサ装置１０Ｂのセンサユニット１００Ｕが２つまたは４つのセンサ素子１０２に対応することである。また、この実施形態では、反応領域ＲＲは、２つまたは４つのセンサ素子１０２に対応することができる。この実施形態では、開口部１０８ｐは、２つまたは４つのセンサ素子１０２の界面の真上に配置されることができる。言い換えれば、反応領域ＲＲは、２つまたは４つのセンサ素子１０２と重なることができる。この実施形態では、断面図において、マイクロレンズ構造１０８は、半円形、半楕円、またはセンサ素子１０２に向かって光を反射させることができる他の形状（開口部１０８ｐを無視した）を有することができる。
上述のように、いくつかの実施形態では、中間層１０４は、画素化フィルタを含むことができ、異なるセンサ素子１０２に対応する画素化フィルタは、単色または異なる色のフィルタとしてもよい。この実施形態では、１つのセンサユニット１００Ｕは、いくつかの画素化フィルタ、例えば、２つまたは４つのフィルタを含むことができる。いくつかの実施形態では、隣接するセンサ素子１０２は、異なる色の画素化フィルタに対応することができ、フィルタの透過率スペクトルは、ショートパス、バンドパス、ロングパス、またはマルチバンドパスであることができる。
例えば、１つのセンサユニット１００Ｕが２つの画素化フィルタを含む実施形態では一方のフィルタは赤色カラーフィルタであり、他方のフィルタは青色カラーフィルタであるが、本開示はそれに限定されない。そのような実施形態では、反応領域ＲＲは、赤色カラーフィルタと青色カラーフィルタの両方に重なり、サンプルＳＡから放射された光が赤色カラーフィルタと青色カラーフィルタの両方に入り、且つ異なるカラーフィルタ（異なる波長範囲を有する）を通して放射された光が検出されることができるようになる。
例えば、１つのセンサユニット１００Ｕが４つの画素化フィルタを含む他の実施形態では、それらの１つは赤色カラーフィルタであり、１つは青色フィルタであり、１つは緑色フィルタであり、且つもう１つは黄色カラーフィルタであるが、本開示はこれらに限定されない。そのような実施形態では、反応領域ＲＲは、赤色カラーフィルタ、青色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ、および黄色カラーフィルタの両方に重なり、サンプルＳＡから放射された光が、赤色カラーフィルタ、青色カラーフィルタ、緑色フィルタ、黄色カラーフィルタの全てに入り、且つ異なるカラーフィルタ（異なる波長範囲を有する）を通して放射された光が検出されることができるようになる。
上述のように、いくつかの実施形態によれば、サンプルＳＡは、異なる波長に対応する異なる標識を有する４つのタイプのヌクレオチドを含むことができる。例えば、センサ装置がＤＮＡ配列決定に用いられる実施形態では、ＤＮＡ鎖のヌクレオチド塩基の特定の配列が決定され得る。そのような実施形態では、異なるヌクレオチド塩基（例えば、アデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、またはチミン（Ｔ））は、異なる蛍光、化学発光、または生物発光標識（例えば、４つの異なる色）で標識されることができる。また、そのような実施形態では、４つの異なるカラーフィルタを有する４つの画素化フィルタを含むセンサユニット１００Ｕ（４つのヌクレオチド塩基に対応することができる）が用いられることができる。
次に、図３Ａに示すように、図３Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置１０Ａの上面図である。図３Ａに示された線分Ａ−Ａ’は、図１に示された断面図に対応することができる。明確にするために、いくつかの構成要素（例えば、平坦化層１１２）は省略されている。
図３Ａに示されるように、いくつかの実施形態によれば、開口部１０８ｐは、マイクロレンズ構造１０８および第１の反射層１１０内に配置されることができる。反応領域ＲＲは、開口部１０８ｐによって画定されることができる。いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は連続構造であることができる。いくつかの実施形態では、上面図において、第１の反射層１１０は実質的に円の形状を有することができる。また、図３Ａに示されるように、いくつかの実施形態によれば、１つの反応領域ＲＲは、１つのセンサ素子１０２（１つの画素を指すこともできる）に対応することができる。
図３Ｂに示されるように、図３Ｂは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサ装置１０Ｂの上面図である。図３Ｂに示された線分Ａ−Ａ’は、図２に示された断面図に対応することができる。明確にするために、いくつかの構成要素（例えば、平坦化層１１２）は省略されている。
図３Ｂに示されるように、いくつかの実施形態によれば、開口部１０８ｐは、マイクロレンズ構造１０８および第１の反射層１１０内に配置されることができる。反応領域ＲＲは、開口部１０８ｐによって画定されることができる。いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、連続構造であることができる。いくつかの実施形態では、上面図において、第１の反射層１１０は実質的に楕円の形状を有することができる。また、図３Ｂに示されるように、いくつかの実施形態によれば、１つの反応領域ＲＲは、２つのセンサ素子１０２（２つの画素を指すこともできる）に対応することができる。言い換えれば、開口部１０８ｐは、２つのセンサ素子１０２と重なることができる。
次に、図３Ｃに示すように、図３Ｃは、本開示のいくつかの他の実施形態によるセンサ装置１０Ｂの上面図である。図３Ｃに示された線分Ａ−Ａ’は、図２に示された断面図に対応することができる。明確にするために、いくつかの構成要素（例えば、平坦化層１１２）は省略されている。
図３Ｃに示されるように、いくつかの実施形態によれば、開口部１０８ｐは、マイクロレンズ構造１０８および第１の反射層１１０内に配置されることができる。反応領域ＲＲは、開口部１０８ｐによって画定されることができる。いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、連続構造であることができる。いくつかの実施形態では、上面図において、第１の反射層１１０は実質的に円の形状を有することができる。また、図３Ｃに示されるように、いくつかの実施形態によれば、１つの反応領域ＲＲは、４つのセンサ素子１０２（４つの画素を指すこともできる）に対応することができる。言い換えれば、開口部１０８ｐは、４つのセンサ素子１０２と重なることができる。
また、いくつかの実施形態では、開口部１０８ｐは、第１の反射層１１０の中心に位置されることができる。いくつかの実施形態では、開口部１０８ｐは、構造内のセンサ要素１０２の配置または光路設計に対応するために、第１の反射層１１０の中心に配置されないこともできる。
次に、図４に示すように、図４は、本開示のいくつかの他の実施形態によるセンサ装置１０Ｃの断面図である。図４に示される実施形態のセンサ装置１０Ｃは、図１に示される実施形態のセンサ装置１０Ａと同様である。それらの違いは、いくつかの実施形態に従って、センサ装置１０Ｃが平坦化層１１２上に配置された表面改質層１１４をさらに含むことができることである。また、図４に示されるように、いくつかの実施形態によれば、中間層１０４は多層構造であることができる。
具体的には、いくつかの実施形態では、表面改質層１１４は、平坦化層１１２の上面１１２ｔに配置されることができる。いくつかの実施形態では、表面改質層１１４は、シランコーティング、チオールコーティング、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、シランコーティングの材料は、金属酸化物、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、チオールコーティングの材料は、金（Ａｕ）を含むことができるが、これに限定されない。いくつかの他の実施形態では、表面改質層１１４は、任意の適切な改質プロセスによって処理され、所望の表面特性を有することができる。
いくつかの実施形態では、表面改質層１１４は、開口部１０８ｐ内に配置されることもできる。いくつかの実施形態では、パッシベーション層１０６は、生体試料ＳＡを捕捉できるように改質されてもよく（例えば、アミノシランで改質される）、表面改質層１１４は、生体試料ＳＡを捕捉できないように改質されてもよい（例えば、ＯＨ−チオールで改質される）。言い換えれば、パッシベーション層１０６および表面改質層１１４は、異なる改質特性を有することができる。表面改質層１１４が開口部１０８ｐに配置される（または、パッシベーション層１０６および表面改質層１１４が、同一または類似の改質特性を有する）いくつかの実施形態では、生体試料ＳＡは、その重量、サイズ、または電荷などによって反応領域ＲＲに固定されることができる。または、表面改質層１１４は厚さＴを有することができる。いくつかの実施形態では、表面改質層１１４の厚さＴを、約１ｎｍから約５００ｎｍ、または約５ｎｍから約１００ｎｍの範囲内にすることができる。
図４に示されるように、いくつかの実施形態では、中間層１０４は、第１の層１０４Ａと、第１の層１０４Ａ上に配置された第２の層１０４Ｂとを含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の層１０４Ａは画素化フィルタを含むことができ、第２の層１０４Ｂは阻止フィルタまたは干渉フィルタを含むことができる。いくつかの実施形態では、阻止フィルタはレーザー阻止フィルタを含んでもよい。
次に、図５に示すように、図５は、本開示のいくつかの他の実施形態によるセンサ装置１０Ｄの断面図である。図５に示された実施形態のセンサ装置１０Ｃは、図４に示される実施形態のセンサ装置１０Ｃと同様である。それらの違いは、中間層１０４がセンサ装置１０Ｄに金属層１１６をさらに含むことができることである。
いくつかの実施形態によれば、金属層１１６は、金属線、金属シールド、またはそれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、金属層１１６は中間層１０４に配置されることができる。より具体的には、金属層１１６は、中間層１０４内のフィルタまたはパッシベーション材料と接触していることができる。いくつかの実施形態では、金属層１１６は、隣接するセンサ素子１０２間の界面に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、フィルタは、中間層１０４内の金属層１１６によって囲まれ、隣接するセンサ素子１０２からのクロストークを低減することができる。
いくつかの実施形態では、金属層１１６の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銀合金、アルミニウム合金、金合金、銅合金、ニオブ合金、ニッケル合金、チタン合金、タングステン合金、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これに限定されない。
次に、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、図６Ａおよび図６Ｂは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニット１００Ｕの断面図である。図６Ａに示されるように、断面図において、マイクロレンズ構造１０８の断面は、いくつかの実施形態に従って、三角形の形状（開口部１０８ｐを無視した）とすることができる。いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８上にコンフォーマルに形成されることができ、従って、断面図において直線形状を有することができる。このような構成を有する第１の反射層１１０は、光をセンサ素子１０２に向けて反射させることができる。
同様に、これらの実施形態では、第１の反射層１１０は、開口部１０８ｐからパッシベーション層１０６まで延在することができる。第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８の上部１０８ｔからマイクロレンズ構造１０８の底部１０８ｂまで延在することができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、第１の反射層１１０は、開口部１０８ｐの側壁１０８ｓからパッシベーション層１０６の上面１０６ｔまで延在することができる。
図６Ｂに示すように、断面図において、マイクロレンズ構造１０８の断面は、いくつかの実施形態に従って、長方形の形状（開口部１０８ｐを無視した）とすることができる。いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８上にコンフォーマルに形成されることができ、従って、断面図において湾曲した形状を有することができる。このような構成を有する第１の反射層１１０は、光をセンサ素子１０２に向けて反射させることができる。
次に、図７に示すように、図７は、本開示のいくつかの他の実施形態によるセンサ装置１０Ｅの断面図である。図７に示された実施形態のセンサ装置１０Ｅは、図１に示される実施形態のセンサ装置１０Ａと同様である。それらの違いは、第２のセンサユニット１００Ｕがセンサ装置１０Ｅに第２の反射層２１０をさらに含むことである。
図７に示されるように、第２の反射層２１０は、いくつかの実施形態に従って、中間層１０４とマイクロレンズ構造１０８との間に配置されることができる。いくつかの実施形態では、図７に示されるように、第２の反射層２１０は、中間層１０４の上面１０４ｔに配置されることができる。いくつかの他の実施形態では、第２の反射層２１０は、パッシベーション層１０６の上面１０６ｔと中間層１０４の上面１０４ｔとの間の任意の位置に配置されることができる。
いくつかの実施形態では、開口部１０８ｐは、第２の反射層２１０と重なることができる。すなわち、励起光ＥＬの入射方向（センサ素子１０２の法線方向、例えば図７に示すＺ方向）からみた時に、開口部１０８ｐの位置と第２の反射層２１０の位置が重なっている。第２の反射層２１０は幅Ｗ２を有し、開口部１０８ｐは幅Ｗ３を有することができる。いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０の幅Ｗ２は、開口部１０８ｐの幅Ｗ３以上であることができる。
いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０の材料は、励起光に対しては高反射、放射光に対しては高透過のスペクトル選択特性を有することができる。具体的には、いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銀合金、アルミニウム合金、金合金、銅合金、ニオブ合金、ニッケル合金、チタン合金、タングステン合金、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態によれば、第２の反射層２１０は、センサ素子１０２への励起光ＥＬの干渉を低減することができる。具体的には、第２の反射層２１０は、第１の反射層１１０の開口領域を通過する第２の励起光ＥＬ’となるように、励起光ＥＬを反射し返すことにより、励起光ＥＬの一部が反射層２１０に入射するのをブロックすることができる。この実施形態では、第２の反射層２１０と衝突する励起光ＥＬは、同じ波長の励起光ＥＬでランダムな方向（センサ素子１０２の法線方向に対して小さな入射角から大きな入射角までの）を有する散乱光ＥＬ”を生成することができる。いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０は、センサ素子１０２の法線方向（例えば、図７に示すＺ方向）に対して小さい角度の励起光ＥＬ”’ を有することにより、励起光ＥＬ”の散乱をセンサ素子１０２に向け直すことができる。また、中間層１０４が干渉フィルタを含む実施形態では、センサ素子１０２の法線方向に対して小さい角度を有する励起光ＥＬは、効率的にフィルタリングされることができる。
また、いくつかの実施形態によれば、第２の反射層２１０の構成により、中間層１０４の厚さをより薄くすることができ（即ち、反応領域ＲＲとセンサ素子１０２との間の距離が減少されることができる）、それにより、センサ装置１０Ｅの全体の厚さを低減できる。
次に、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、図８Ａ〜図８Ｃは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニット１００Ｕの断面図である。図８Ａ〜図８Ｃに示されるように、第２の反射層２１０は、いくつかの実施形態によれば、湾曲した形状を有することができる。より具体的には、第２の反射層２１０の湾曲した形状は凹部を含むことができ、凹部の開口部は開口部１０８ｐに面してもよい。
図８Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、断面図において、第２の反射層２１０は、「３面凹部」または「２つの底部角を含む凹部」の形状を有することができる。図８Ｂに示されるように、いくつかの実施形態では、断面図において、第２の反射層２１０はＶ字形状を有することができる。図８Ｂに示されるように、いくつかの実施形態では、断面図において、第２の反射層２１０はＵ形状を有することができる。
いくつかの実施形態によれば、第２の反射層２１０の湾曲した形状は、センサ素子１０２から離れる励起光ＥＬ’の反射を増加させることができる。また、反射された励起光ＥＬ’は、第１の反射層１１０によって画定された開口部１０８ｐを通過することができる。
次に、図９に示すように、図９は、本開示のいくつかの他の実施形態によるセンサ装置１０Ｆの断面図である。図９に示された実施形態のセンサ装置１０Ｆは、図７に示された実施形態のセンサ装置１０Ｅと類似する。それらの間の違いは、センサ装置１０Ｆが、上述の第２の反射層２１０の上に配置された導波路構造３１０をさらに含むことである。
いくつかの実施形態によれば、導波路構造３１０は、反応領域ＲＲ内の強度を増強し、励起光ＥＬを局在化させることができるため、用いられる励起光源のエネルギーが減少され、センサ素子１０２への励起光ＥＬ”’の強度が増加されることができる。また、いくつかの実施形態によれば、導波路構造３１０は、センサ素子１０２が受信する信号品質を向上させることができる。
図９に示されるように、導波路構造３１０は、いくつかの実施形態に従って、パッシベーション層１０６の上面１０６ｔの近くに配置されることができる。いくつかの実施形態では、開口部１０８ｐは、導波路構造３１０に重なることができる。すなわち、励起光ＥＬの入射方向（センサ素子１０２の法線方向、例えば図９に示すＺ方向）からみた時に、開口部１０８ｐの位置と導波路構造３１０の位置が重なっている。また、いくつかの実施形態によれば、導波路構造３１０は、開口部１０８ｐの下に配置され、開口部１０８ｐと接触していることができる。いくつかの他の実施形態では、導波路構造３１０は、パッシベーション層１０６に配置され、開口部１０８ｐと接触していないこともできる。
より具体的には、いくつかの実施形態では、導波路構造３１０および第２の反射層２１０は距離Ｄ１によって離間される。いくつかの実施形態では、距離Ｄ１は、約０．１μｍから約５μｍ、または約０．１μｍから約１μｍ、または約０．２μｍから約０．４μｍの範囲であることができる。距離Ｄ１が大きすぎる場合、パッシベーション層１０６の厚さは減少されない可能性がある。一方、距離Ｄ１が小さすぎる場合、導波路構造３１０は第２の反射層２１０に近づきすぎる可能性があり、導波路構造３１０のライトガイド効果が低減される可能性がある。
いくつかの実施形態では、導波路構造３１０は幅Ｗ４を有することができる。いくつかの実施形態では、導波路構造３１０の幅Ｗ４は、開口部１０８ｐの幅Ｗ３以上であることができる。いくつかの実施形態では、導波路構造３１０の幅Ｗ４は、第２の反射層２１０の幅Ｗ２以下であることができる。
いくつかの実施形態では、導波路構造３１０の材料は、４００ｎｍから７５０ｎｍの波長範囲で１．５より高い屈折率（ｎ値）を有する材料を含むことができる。言い換えれば、導波路構造３１０は、いくつかの実施形態によれば、可視光の範囲で高屈折率を有する材料で形成されることもできる。具体的には、いくつかの実施形態では、導波路構造３１０の材料は、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、高屈折率ポリマー、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
次に、図１０に示すように、図１０は、本開示のいくつかの他の実施形態によるセンサ装置１０Ｇの断面図である。図１０に示される実施形態のセンサ装置１０Ｇは、図９に示される実施形態のセンサ装置１０Ｆと類似する。それらの違いは、第２の反射層２１０がパターン化され、センサ装置１０Ｇに開口部（ａｐｅｒｔｕｒｅ）２１０ｐを含むことである。
図１０に示されるように、いくつかの実施形態によれば、第２の反射層２１０はパターン化され、開口部２１０ｐは第２の反射層２１０内に配置されることができる。また、いくつかの実施形態では、開口部２１０ｐは、マイクロレンズ構造１０８および第１の反射層１１０と重なることができる。すなわち、励起光ＥＬの入射方向（センサ素子１０２の法線方向、例えば図１０に示すＺ方向）からみた時に、開口部２１０ｐの位置が、マイクロレンズ構造１０８および第１の反射層１１０の位置と重なっている。いくつかの実施形態では、反射光ＲＬは、開口部２１０ｐを介してセンサ素子１０２に入射することができる。
いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０内に配置された開口部２１０ｐは、反射光ＲＬの量が隣接するセンサ素子１０２に入射するのを低減するため、クロストークの問題を低減することができる。
次に、図１１に示すように、図１１は、本開示のいくつかの他の実施形態によるセンサ装置１０Ｈの断面図である。図１１に示される実施形態のセンサ装置１０Ｈは、図１０に示される実施形態のセンサ装置１０Ｆと類似する。それらの違いは、センサユニット１００Ｕが２つまたは４つのセンサ素子１０２などの１つ以上のセンサ素子１０２を含むことができることである。
図１１に示されるように、いくつかの実施形態によれば、第２の反射層２１０は１つ以上のセンサ素子１０２の上に延在し、開口部２１０ｐは１つのセンサユニット１００Ｕ内の１つ以上のセンサ素子１０２の上に位置されることができる。
図１２Ａ〜図１２Ｊに示すように、図１２Ａ〜図１２Ｊは、本開示のいくつかの実施形態によるセンサユニット１００Ｕの上面図である。これらの構成要素の構成を明確に説明するために、図にはセンサ素子１０２、第２の反射層２１０、および開口部２１０ｐのみが示されている。
図１２Ａ〜図１２Ｊは、本開示のいくつかの実施形態による第２の反射層２１０の様々な態様を示しているが、本開示はそれに限定されない。図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるように、いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０は、その中に配置された開口部２１０ｐを含むようにパターン化されることができる。いくつかの実施形態によれば、開口部２１０ｐは、パターン化された第２の反射層２１０の一部を囲むことができる。いくつかの実施形態では、開口部２１０ｐは、円形リング、長方形リング、または任意の他の適切な形状の形状を有することができるが、これに限定されない。１つのセンサユニット１００Ｕが１つのセンサ素子１０２を含む実施形態では、開口部２１０ｐは１つのセンサ素子１０２に対応することができる。
図１２Ｃ〜図１２Ｆに示されるように、いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０は、その中に配置された開口部２１０ｐを含むようにパターン化されることができる。いくつかの実施形態によれば、開口部２１０ｐは、パターン化された第２の反射層２１０の一部を囲むことができる。いくつかの実施形態では、開口部２１０ｐは、円形、長方形、円形リング、長方形リング、または任意の他の適切な形状を有することができるが、それに限定されない。１つのセンサユニット１００Ｕが２つのセンサ素子１０２を含む実施形態では、開口部２１０ｐは１つまたは２つのセンサ素子１０２に対応することができる。
図１２Ｃおよび図１２Ｄに示されるように、いくつかの実施形態によれば、開口部２１０ｐは、２つのセンサ素子１０２の上に個別に配置されることができる。図１２Ｅおよび図１２Ｆに示されるように、いくつかの実施形態によれば、開口部２１０ｐは、２つのセンサ素子１０２の上の連続構造であることができる。
図１２Ｇ〜図１２Ｊに示されるように、いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０は、その中に配置された開口部２１０ｐを含むようにパターン化されることができる。いくつかの実施形態によれば、開口部２１０ｐは、パターン化された第２の反射層２１０の一部を囲むことができる。いくつかの実施形態では、開口部２１０ｐは、円形、長方形、円形リング、長方形リング、または任意の他の適切な形状を有することができるが、それに限定されない。４つのセンサ素子１０２を含む１つのセンサユニット１００Ｕの実施形態では、開口部２１０ｐは、１つ、２つ、３つ、または４つのセンサ素子１０２に対応することができる。
図１２Ｇおよび図１２Ｈに示されるように、いくつかの実施形態によれば、開口部２１０ｐは、４つのセンサ素子１０２の上に個別に配置されることができる。図１２Ｉおよび図１２Ｊに示されるように、いくつかの実施形態によれば、開口部２１０ｐは、２つのセンサ素子１０２の上の連続構造であることができる。
次に、図１３Ａ〜図１３Ｈに示すように、図１３Ａ〜図１３Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による、センサ装置を製造するためのプロセスの様々な段階におけるセンサ装置１０Ａの断面図である。追加の操作がセンサ装置を製造するプロセス前、プロセス中、および／またはプロセス後に、提供されることができる。いくつかの実施形態によれば、以下で説明される動作のいくつかは、置換または排除されることができる。
まず、図１３Ａに示すように、基板１０１が提供される。基板１０１は、その中に配置された少なくとも１つのセンサ素子１０２を含むことができる。言い換えれば、センサ素子１０２は、いくつかの実施形態に従って基板１０１に構成されることができる。いくつかの実施形態では、基板１０１は、半導体材料で形成されたウェーハであってもよい。いくつかの実施形態では、基板１０１の材料は、シリコン、シリコン基板上ＩＩＩ−Ｖ族、グラフェンオンシリコン、シリコンオンインシュレータ、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
次に、図１３Ｂに示されるように、中間層１０４は、いくつかの実施形態に従って、基板１０１およびセンサ素子１０２上に形成されることができる。その後、いくつかの実施形態に従って、パッシベーション層１０６が中間層１０４上に形成されることができる。
いくつかの実施形態では、中間層１０４およびパッシベーション層１０６は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、スピンコーティングプロセス、印刷プロセス、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成されることができる。例えば、化学気相堆積プロセスは、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）プロセス、低温化学気相堆積（ＬＴＣＶＤ）プロセス、急速熱化学気相堆積（ＲＴＣＶＤ）プロセス、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、または原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスを含むが、これらに限定されない。例えば、物理蒸着は、スパッタリングプロセス、蒸着プロセス、またはパルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）プロセスを含むことができるが、これらに限定されない。
また、パッシベーション層１０６が中間層１０４上に形成された後、いくつかの実施形態に従って、マイクロレンズ構造１０８がパッシベーション層１０６上に形成されることができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、マイクロレンズ構造１０８を形成するための材料層は、パッシベーション層１０６上に形成されることができ、材料層は、１つ以上のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセス（例えば、図１３Ｃおよび図１３Ｄに示されるように）によってパターン化されることができる。
図１３Ｃに示すように、いくつかの実施形態に従って、フォトレジストＰＲが材料層上に形成され、マイクロレンズ構造１０８を形成することができる。いくつかの実施形態では、フォトレジストＰＲは、後に形成されるマイクロレンズ構造１０８のプロファイルを画定するためにパターン化されることができる。
いくつかの実施形態では、フォトレジストＰＲは、スピンコーティングプロセス、印刷プロセス、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成されることができる。また、１つ以上のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスは、フォトレジストＰＲをパターン化するように用いられることができる。いくつかの実施形態では、フォトリソグラフィプロセスは、ソフトベーキング、ハードベーキング、マスクアライメント、露光、露光後ベーキング、フォトレジストの現像、リンス、乾燥、または他の適切なプロセスを含むことができる。いくつかの実施形態では、エッチングプロセスは、ドライエッチングプロセス、ウェットエッチングプロセス、またはそれらの組み合わせを含むことができる。例えば、ドライエッチングプロセスは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセス、プラズマエッチングプロセスなどを含むことができる。
いくつかの実施形態では、マイクロレンズ構造１０８は、リフロープロセスによって直接形成されることができる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ構造１０８の材料は、フォトレジストを含むことができ、機能性表面コーティング（例えば、自己組織化単分子層（ＳＡＭ））の犠牲層として機能することができ、且つ機能性表面コーティングは開口部１０８ｐの底部にのみ配置されることができる。そのような構成では、第１の反射層１１０内の材料は均質であってもよい。
次に、図１３Ｄに示すように、いくつかの実施形態に従って、リフロープロセスがフォトレジストＰＲに行われ、マイクロレンズ構造１０８のプロファイルを画定することができる。いくつかの実施形態では、リフロープロセスは、適切な温度を有する反応チャンバまたはホットプレートで行われることができる。いくつかの実施形態では、リフロープロセスが行われた後、マイクロレンズ構造１０８を形成するための材料層は、エッチバックされ、フォトレジストＰＲのプロファイルを材料層に転写することができ、所望のプロファイルを有するマイクロレンズ構造１０８が形成されることができる。
次に、図１３Ｅに示すように、第１の反射層１１０は、いくつかの実施形態に従って、マイクロレンズ構造１０８上にコンフォーマルに形成されることができる。いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８を部分的または全体的に覆うことができる。
いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、スピンコーティングプロセス、印刷プロセス、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成されることができる。
次に、図１３Ｆに示すように、第１の反射層１１０が形成された後、いくつかの実施形態に従って、平坦化層１１２が第１の反射層１１０上に形成されることができる。平坦化層１１２は、第１の反射層１１０およびマイクロレンズ構造１０８の上に平坦な上面１１２ｔを提供することができる。
より具体的には、いくつかの実施形態では、平坦化層１１２の材料は、第１の反射層１１０上にコンフォーマルに形成され、平坦化プロセスは、材料に行われ、平坦な上面１１２ｔを有する平坦化層１１２を形成することができる。
いくつかの実施形態では、平坦化層１１２は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、スピンコーティングプロセス、印刷プロセス、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成されることができる。いくつかの実施形態では、平坦化プロセスは、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセス、機械研磨プロセス、研削プロセス、エッチングプロセス、またはそれらの組み合わせを含むことができる。
また、いくつかの実施形態によれば、平坦化層１１２が第１の反射層１１０上に形成された後、表面改質層１１４（図示せず）は、平坦化層１１２上に形成されることができる。
次に、図１３Ｇに示すように、いくつかの実施形態に従って、フォトレジストＰＲが平坦化層１１２上に形成されることができる。具体的には、フォトレジストＰＲがパターン化されて、後に形成される開口部１０８ｐの位置を画定することができる。
いくつかの実施形態では、フォトレジストＰＲは、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、スピンコーティングプロセス、印刷プロセス、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成されることができる。また、１つ以上のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスが用いられて、フォトレジストＰＲをパターン化することができる。
次に、図１３Ｈに示すように、いくつかの実施形態に従って、第１の反射層１１０の一部およびマイクロレンズ構造１０８の一部が除去されて、マイクロレンズ構造１０８に開口部１０８ｐを形成する。開口部１０８ｐは、パッシベーション層１０６の上面１０６ｔの一部を露出することができる。図１３Ｈに示されるように、いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０は、開口部１０８ｐからパッシベーション層１０６まで延在することができる。
いくつかの実施形態では、１つ以上のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスが用いられ、第１の反射層１１０およびマイクロレンズ構造１０８を部分的に除去する。いくつかの実施形態では、フォトリソグラフィプロセスは、フォトレジストコーティング（例えば、スピンコーティング）、ソフトベーキング、ハードベーキング、マスクアライメント、露光、露光後ベーキング、フォトレジストの現像、リンス、乾燥、または他の適切なプロセスを含むことができる。いくつかの実施形態では、エッチングプロセスは、ドライエッチングプロセス、ウェットエッチングプロセス、またはそれらの組み合わせを含むことができる。
次に、図１４Ａ〜図１４Ｈに示すように、図１４Ａ〜図１４Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による、センサ装置を製造するためのプロセスの様々な段階におけるセンサ装置１０Ｅの断面図である。図１４Ａ〜図１４Ｈに示される実施形態のプロセスは、図１３Ａ〜図１３Ｈに示される実施形態のプロセスと部分的に同様である。それらの違いは、図１４Ａ〜図１４Ｈに示されるセンサ装置１０Ｅを形成するための方法が、パッシベーション層１０６を形成する前に、中間層１０４上に第２の反射層２１０を形成することをさらに含むことである。
具体的には、いくつかの実施形態によれば、センサ装置１０Ｅを形成する方法は、以下のステップを含むことができる。図１４Ａに示すように、基板１０１が提供され、基板１０１は、その中に配置された少なくとも１つのセンサ素子１０２を含むことができる。図１４Ｂに示すように、中間層１０４は、基板１０１およびセンサ素子１０２上に形成される。また、第２の反射層２１０が中間層１０４上に形成される。具体的には、いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０は、中間層１０４の上面１０４ｔ上に形成されることができる。しかしながら、いくつかの他の実施形態では、第２の反射層２１０は、パッシベーション層１０６の上面１０６ｔと中間層１０４の上面１０４ｔとの間の任意の位置に形成されることができる。
いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、スピンコーティングプロセス、印刷プロセス、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成されることができる。いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０は、１つ以上のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスによってパターン化されることができる。
また、図１４Ｃに示すように、第２の反射層２１０が中間層１０４上に形成された後、マイクロレンズ構造１０８を形成するための材料層がパッシベーション層１０６上に形成される。次に、図１４Ｄに示すように、パターン化されたフォトレジストＰＲが、材料層上に形成され、マイクロレンズ構造１０８を形成する。図１４Ｅに示すように、リフロープロセスがフォトレジストＰＲに行われ、マイクロレンズ構造１０８のプロファイルを画定する。図１４Ｆに示すように、第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８上にコンフォーマルに形成される。図１４Ｇ示すように、第１の反射層１１０が形成された後、平坦化層１１２が第１の反射層１１０上に形成され、パターン化されたフォトレジストＰＲが平坦化層１１２上に形成される。次に、図１４Ｈに示すように、第１の反射層１１０の一部およびマイクロレンズ構造１０８の一部が除去されて、マイクロレンズ構造１０８に開口部１０８ｐが形成される。
次に、図１５Ａ〜図１５Ｈに示すように、図１５Ａ〜図１５Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による、センサ装置を製造するためのプロセスの様々な段階におけるセンサ装置１０Ｆの断面図である。図１５Ａ〜図１５Ｈに示される実施形態のプロセスは、図１４Ａ〜図１４Ｈに示される実施形態のプロセスと部分的に同様である。それらの違いは、図１５Ａ〜図１５Ｈに示されるセンサ装置１０Ｆを形成するための方法が、マイクロレンズ構造１０８を形成する前に、パッシベーション層１０６上に、またはパッシベーション層１０６内に埋め込まれた導波路構造３１０を形成することをさらに含むことである。
具体的には、いくつかの実施形態によれば、センサ装置１０Ｆを形成する方法は、以下のステップを含むことができる。図１５Ａに示すように、基板１０１が提供され、基板１０１は、その中に配置された少なくとも１つのセンサ素子１０２を含むことができる。図１５Ｂに示すように、中間層１０４は、基板１０１およびセンサ素子１０２上に形成される。また、第２の反射層２１０が中間層１０４上に形成され、パッシベーション層１０６は、第２の反射層２１０上に形成される。
パッシベーション層１０６が第２の反射層２１０上に形成された後、導波路構造３１０がパッシベーション層１０６上に形成されることができる。いくつかの実施形態では、導波路構造３１０は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、スピンコーティングプロセス、印刷プロセス、任意の他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせによって形成されることができる。
図１５Ｃに示すように、いくつかの実施形態によれば、導波路構造３１０が形成された後、パッシベーション層１０６は、導波路構造３１０を覆うように任意選択で形成され、次いで、パッシベーション層１０６の一部が除去されて、導波路構造３１０の上面を露出させ、次いで、マイクロレンズ構造１０８を形成するための材料層が、導波路構造３１０およびパッシベーション層１０６上に形成される。いくつかの他の実施形態では、導波路構造３１０が形成された後、マイクロレンズ構造１０８を形成するための材料層が、導波路構造３１０およびパッシベーション層１０６上に直接形成されることができる。
その後、図１５Ｄに示すように、パターン化されたフォトレジストＰＲが、材料層上に形成され、マイクロレンズ構造１０８を形成する。図１５Ｅに示すように、リフロープロセスがフォトレジストＰＲに行われ、マイクロレンズ構造１０８のプロファイルを画定する。図１５Ｆに示すように、第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８上にコンフォーマルに形成される。図１５Ｇ示すように、第１の反射層１１０が形成された後、平坦化層１１２が第１の反射層１１０上に形成され、パターン化されたフォトレジストＰＲが平坦化層１１２上に形成される。次に、図１５Ｈに示すように、第１の反射層１１０の一部およびマイクロレンズ構造１０８の一部が除去されて、マイクロレンズ構造１０８に開口部１０８ｐが形成される。また、いくつかの実施形態によれば、開口部１０８ｐは導波路構造３１０を露出させることができる。
次に、図１６Ａ〜図１６Ｈに示すように、図１６Ａ〜図１６Ｈは、本開示のいくつかの実施形態による、センサ装置を製造するためのプロセスの様々な段階におけるセンサ装置１０Ｇの断面図である。図１６Ａ〜図１６Ｈに示される実施形態のプロセスは、図１５Ａ〜図１５Ｈに示される実施形態のプロセスと部分的に同様である。それらの違いは、図１６Ａ〜図１６Ｈに示されたセンサ装置１０Ｇを形成するための方法が、第２の反射層２１０をパターン化して、第２の反射層２１０内に開口部２１０ｐを形成することをさらに含むことである。
具体的には、いくつかの実施形態によれば、センサ装置１０Ｇを形成する方法は、以下のステップを含むことができる。図１６Ａに示すように、基板１０１が提供され、基板１０１は、その中に配置された少なくとも１つのセンサ素子１０２を含むことができる。図１６Ｂに示すように、中間層１０４は、基板１０１およびセンサ素子１０２上に形成される。また、第２の反射層２１０が中間層１０４上に形成され、パッシベーション層１０６は、第２の反射層２１０上に形成される。
具体的には、パッシベーション層１０６が形成される前に、第２の反射層２１０がパターン化され、第２の反射層２１０内に開口部２１０ｐを形成することができる。いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０は、１つ以上のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスによってパターン化され、開口部２１０ｐを形成することができる。
また、パッシベーション層１０６が第２の反射層２１０上に形成された後、導波路構造３１０がパッシベーション層１０６上に形成されることができる。次に、図１６Ｃに示すように、マイクロレンズ構造１０８を形成するための材料層は、導波路構造３１０およびパッシベーション層１０６上に形成されることができる。
その後、図１６Ｄに示すように、パターン化されたフォトレジストＰＲが、材料層上に形成され、マイクロレンズ構造１０８を形成する。図１６Ｅに示すように、リフロープロセスがフォトレジストＰＲに行われ、マイクロレンズ構造１０８のプロファイルを画定する。図１６Ｆに示すように、第１の反射層１１０は、マイクロレンズ構造１０８上にコンフォーマルに形成される。図１６Ｇ示すように、第１の反射層１１０が形成された後、平坦化層１１２が第１の反射層１１０上に形成され、パターン化されたフォトレジストＰＲが平坦化層１１２上に形成される。次に、図１６Ｈに示すように、第１の反射層１１０の一部およびマイクロレンズ構造１０８の一部が除去されて、マイクロレンズ構造１０８に開口部１０８ｐが形成される。
上記を要約すると、本開示のいくつかの実施形態によれば、センサ素子は、マイクロレンズ構造の上に配置された反射層を含むことができる。反射層は、フォトダイオードから反対方向に放射された光を反射することができるため、フォトダイオードの放射光の集光効率を高めることができる。従って、センサ装置の感度および性能を向上できる。
本開示及びそれらの利点の一部の実施形態が詳細に説明されてきたが、添付の請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神および範囲を逸脱せずに、本明細書において種々の変更、置換、および代替をすることができることを理解すべきである。例えば、本明細書で述べられる特徴、機能、プロセス、および材料の多くが本開示の範囲を逸脱することなく変更できることが当業者にとっては容易に理解されるだろう。また、本出願の範囲は、本明細書中に述べられたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者が本開示の開示から容易に理解するように、本明細書で述べられた対応する実施形態と、実質的に同様の機能を実行するか、または実質的に同様の結果を達成する、現存の、または後に開発される、開示、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップが本開示に従って利用され得る。よって、添付の特許請求の範囲は、上述のプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップを含むように意図される。
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｈ、１０Ｇ…センサ装置
ＳＡ…サンプル
ＲＲ…反応領域
Ｌ…光
ＲＬ…反射光
Ｗ１…センサ素子の幅
１００Ｕ…センサユニット
１０１…基板
１０２…センサ素子
１０４…中間層
１０６…パッシベーション層
１０６ｔ…パッシベーション層の上面
１０８…マイクロレンズ構造
１０８ｂ…マイクロレンズ構造の底部
１０８ｂｓ…マイクロレンズ構造の底面
１０８ｓ…開口部の側壁
１０８ｐ…開口部
１０８ｔ…マイクロレンズ構造の上部
１１０…第１の反射層
１１２…平坦化層
１１２ｔ…平坦化層の上面
Ａ−Ａ’線分
１０４Ａ…中間層の第１の層
１０４Ｂ…中間層の第２の層
１１４…表面改質層
１１６…金属層
Ｔ…表面改質層の厚さ
１０４ｔ…中間層の上面
Ｗ２…第２の反射層の幅
Ｗ３…開口部の幅
ＥＬ…励起光
ＥＬ’ …第２の励起光
ＥＬ” …散乱光
ＥＬ”’…励起光
２１０…第２の反射層
Ｄ１…距離
３１０…導波路構造
Ｗ４…導波路構造の幅
２１０ｐ…センサ装置の開口部
ＰＲ…フォトレジスト
近年、ＣＭＯＳ画像センサも生物学的または化学的分析に用いられている。このような分析では、生物学的または生化学的サンプルはフォトダイオード上に配置されることができ、生物学的または生化学的サンプルで放射された光はフォトダイオードに向けられることができる。サンプルの蛍光または化学発光は、フォトダイオードによって検出でき、蛍光または化学発光のスペクトル分布および強度が決定されることができる。スペクトルおよび強度は、生物学的または生化学的サンプルの相互作用または特性を識別するために用いられることができる。
いくつかの実施形態では、均一（連続）フィルタ、画素化フィルタ、または阻止フィルタは、単層フィルタ、または多層フィルタであることができる。いくつかの実施形態では、フィルタは、吸収フィルタ、干渉フィルタ、プラズモニックメタ表面構造、誘電体メタ表面構造、またはそれらの組み合わせをさらに含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、画素化フィルタは、吸収フィルタ／吸収フィルタ、干渉フィルタ／干渉フィルタ、干渉フィルタ／吸収フィルタ、プラズモニックメタ表面構造／誘電性メタ表面構造、またはその他の適切な組み合わせの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、画素化フィルタは、阻止フィルタと組み合わせて用いられることができる。阻止フィルムは、特定の波長範囲の光を通過させないようにすることができる。
いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０の材料は、励起光波長に対しては高透過、および放射光波長に対しては高反射のスペクトル選択特性を有することができ、又は、励起光及び反射光の波長に対して高反射の特性を有することができる。具体的には、いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銀合金、アルミニウム合金、金合金、銅合金、ニオブ合金、ニッケル合金、チタン合金、タングステン合金、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０の材料は、励起光波長に対しては高反射、放射光波長に対しては高透過のスペクトル選択特性を有することができ、又は、励起光及び反射光の波長に対して高反射の特性を有することができる。具体的には、いくつかの実施形態では、第２の反射層２１０の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銀合金、アルミニウム合金、金合金、銅合金、ニオブ合金、ニッケル合金、チタン合金、タングステン合金、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態によれば、第２の反射層２１０は、センサ素子１０２への励起光ＥＬの干渉を低減することができる。具体的には、第２の反射層２１０は、第１の反射層１１０の開口領域を通過する第２の励起光ＥＬ’となるように、励起光ＥＬを反射し返すことにより、励起光ＥＬの一部が反射層２１０に入射するのをブロックすることができる。この実施形態では、第２の反射層２１０と衝突する励起光ＥＬは、同じ波長の励起光ＥＬでランダムな方向（センサ素子１０２の法線方向に対して小さな入射角から大きな入射角までの）を有する散乱光ＥＬ”を生成することができる。いくつかの実施形態では、第１の反射層１１０に組み込まれた第２の反射層２１０は、センサ素子１０２の法線方向（例えば、図７に示すＺ方向）に対して小さい角度を有する励起光ＥＬ”’として、励起光ＥＬ”の散乱をセンサ素子１０２に向け直すことができる。また、中間層１０４が干渉フィルタを含む実施形態では、センサ素子１０２の法線方向に対して小さい角度を有する励起光ＥＬは、効率的にフィルタリングされることができる。
また、いくつかの実施形態によれば、より高い励起光フィルタリング効率を提供する第２の反射層２１０の構成により、中間層１０４のフィルタ層の厚さをより薄くすることができ（即ち、反応領域ＲＲとセンサ素子１０２との間の距離が減少されることができる）、それにより、センサ装置１０Ｅの全体の厚さを低減できる。
いくつかの実施形態によれば、導波路構造３１０は、反応領域ＲＲ内の強度を増強し、励起光ＥＬを局在化させることができるため、用いられる励起光源のエネルギーが減少され、センサ素子１０２への励起光ＥＬ”’の強度を減少させることができる。また、いくつかの実施形態によれば、導波路構造３１０は、センサ素子１０２が受信する信号品質を向上させることができる。

Claims (10)

  1. 少なくとも１つのセンサユニットを備え、
    前記センサユニットは、
    少なくとも１つのセンサ素子、
    前記少なくとも１つのセンサ素子上に配置された中間層、
    前記中間層上に配置されたパッシベーション層、
    前記パッシベーション層上に配置されたマイクロレンズ構造、
    前記マイクロレンズ構造に配置された開口部、および
    前記マイクロレンズ構造上に配置された第１の反射層を含み、
    前記第１の反射層は、前記開口部から前記パッシベーション層まで延在するセンサ装置。
  2. 前記第１の反射層は、前記開口部の側壁から前記パッシベーション層の上面まで延在し、前記第１の反射層の材料は放射光に対して高反射の特性を有する請求項１に記載のセンサ装置。
  3. 前記マイクロレンズ構造の断面は、半円形、半楕円、三角形、長方形の形状、または前記少なくとも１つのセンサ素子に向かって光を反射させることができる形状である請求項１に記載のセンサ装置。
  4. 前記マイクロレンズ構造は、１つのセンサ素子に対応する平行光を受光できる構造、又は、１つのセンサ素子に対応する単一の焦点、２つのセンサ素子に対応する２つの焦点、あるいは３つまたは４つのセンサ素子に対応する複数の焦点を有する構造である請求項１に記載のセンサ装置。
  5. 前記少なくとも１つのセンサユニットは、前記中間層と前記マイクロレンズ構造との間に配置された第２の反射層を含み、
    前記開口部は、前記第２の反射層と重なり、前記第２の反射層の材料は、励起光に対して高反射の特性を有し、
    前記少なくとも１つのセンサユニットは、前記第２の反射層の上に配置された導波路構造を含み、
    前記開口部は前記導波路構造と重なる請求項１に記載のセンサ装置。
  6. 前記中間層は、フィルタ、パッシベーション材料、金属層、またはそれらの組み合わせを含み、
    前記フィルタは金属層によって囲まれ、
    前記フィルタは均一フィルタ、画素化フィルタ、阻止フィルタ、またはそれらを組み合わせたフィルタを含む請求項１に記載のセンサ装置。
  7. 前記開口部は反応領域を含み、前記反応領域は少なくとも１つのセンサ素子に対応し、前記反応領域は、１つ、２つ、３つ、または４つのセンサ素子に対応する請求項１に記載のセンサ装置。
  8. 少なくとも１つのセンサ素子を含む基板を提供するステップ、
    前記少なくとも１つのセンサ素子上に中間層を形成するステップ、
    前記中間層上にパッシベーション層を形成するステップ、
    前記パッシベーション層上にマイクロレンズ構造を形成するステップ、
    前記マイクロレンズ構造上に第１の反射層をコンフォーマルに形成するステップ、および
    前記第１の反射層の一部および前記マイクロレンズ構造の一部を除去し、前記マイクロレンズ構造に開口部を形成するステップを含み、
    前記第１の反射層は、前記開口部から前記パッシベーション層まで延在する、センサ装置を製造する方法。
  9. 前記第１の反射層上に平坦化層を形成するステップと、
    前記パッシベーション層を形成するステップ及び前記第１の反射層上に平坦化層を形成するステップの前に、前記中間層上に第２の反射層を形成するステップを含む請求項８に記載のセンサ装置を製造する方法。
  10. 前記第２の反射層をパターン化して前記開口部を形成するステップと、
    前記マイクロレンズ構造を形成するステップ及び前記第２の反射層をパターン化して前記開口部を形成するステップの前に前記パッシベーション層上に導波路構造を形成するステップを含む請求項９に記載のセンサ装置を製造する方法。
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